Scienziati tedeschi hanno sviluppato una retina artificiale impiantabile.

Nell'esperimento ha parzialmente ristabilito tre pazienti che erano ciechi a causa della distrofia retinica ereditaria, scrive il Daily Telegraph.

I dispositivi precedenti con uno scopo simile consistevano in una fotocamera e un processore che dovevano essere indossati come occhiali. L'impianto bionico, sviluppato da Retinal Implant AG in collaborazione con l'Istituto di ricerca oftalmica dell'Università di Tubinga, viene impiantato direttamente sotto la retina e utilizza l'apparato ottico dell'occhio. Pertanto, è un sostituto diretto dei recettori della luce perduti.

L'immagine in bianco e nero prodotta dalla retina bionica è stabile e segue i movimenti del bulbo oculare.

Tre pazienti che hanno preso parte al test del dispositivo sono riusciti a distinguere le forme degli oggetti pochi giorni dopo l'intervento. La vista di uno di loro migliorò così tanto che iniziò a camminare liberamente per la stanza, ad avvicinarsi alle persone, a vedere le lancette dell’orologio e a distinguere sette sfumature di grigio.

Secondo il professor Eberhart Zrenner, direttore dell'Ospedale oculistico dell'Università di Tubinga, i test pilota hanno dimostrato in modo convincente che l'impianto può ripristinare la vista nelle persone affette da distrofia retinica sufficiente per la vita di tutti i giorni. Tuttavia, ha osservato, l’introduzione del dispositivo nella pratica clinica richiederà molto tempo.

La retina bionica, secondo gli scienziati, può essere utilizzata per la cecità causata dalla retinite pigmentosa e da altre malattie degenerative della retina.

I sistemi di sensori biologici sono compatti ed efficienti dal punto di vista energetico. Quando si tenta di creare un analogo semiconduttore della retina, incontrano grandi difficoltà: con uno spessore di 0,5 mm, pesa 0,5 ge consuma 0,1 W.

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Retina biologica.

Le cellule della retina sono collegate da una complessa rete di connessioni di segnalazione eccitatorie (frecce unidirezionali), inibitorie (linee con cerchi all'estremità) e bidirezionali (frecce a doppia punta). Questo circuito produce risposte selettive da quattro tipi di cellule gangliari (in basso), che costituiscono il 90% delle fibre del nervo ottico che trasmettono informazioni visive al cervello. Inclusione delle cellule gangliari "On" (verde) e disattivare "Off". (rossi) si eccitano quando l'intensità della luce locale è maggiore o minore rispetto all'area circostante. Cellule Gangliari Inc. (blu) e discendente "Dic." (giallo) generano impulsi quando l'intensità della luce aumenta o diminuisce.

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Retina di silicio

Nei modelli elettronici della retina, gli assoni e i dendriti di ciascuna cellula (connessioni di segnale) sono sostituiti da conduttori metallici e le sinapsi da transistor. Le permutazioni di questa configurazione creano interazioni eccitatorie e inibitorie che imitano le connessioni tra neuroni. I transistor e i conduttori che li collegano si trovano su chip di silicio, le cui diverse sezioni fungono da diversi strati di celle. I grandi pad verdi sono fototransistor che convertono la luce in segnali elettrici.

All'inizio dello sviluppo dell'occhio, le cellule gangliari della retina inviano i loro assoni al tetto, il centro sensoriale del mesencefalo. Gli assoni retinali sono guidati da tracce di sostanze chimiche rilasciate dalle cellule tettali vicine che si attivano simultaneamente; Di conseguenza, i neuroni che si attivano simultaneamente si connettono. Di conseguenza, nel mesencefalo si forma una mappa della posizione spaziale dei sensori retinici.

Per modellare questo processo, vengono utilizzati fili programmabili per creare connessioni auto-organizzanti tra le cellule nel chip retinale Visio1 (in alto) e nel chip del tetto artificiale Neurotrope1 (in basso). Gli impulsi elettrici in uscita vengono diretti dalle cellule gangliari artificiali alle cellule del tetto attraverso un chip di memoria (RAM) (al centro). Il chip della retina fornisce l'indirizzo del neurone eccitato, mentre il chip del tetto riproduce l'impulso di eccitazione nel punto appropriato. Nel nostro esempio, il tetto artificiale ordina alla RAM di scambiare gli indirizzi 1 e 2. Di conseguenza, il terminale dell'assone della cellula gangliare 2 si sposta sulla cellula gangliare 1, spostando l'assone della cellula gangliare 3. Gli assoni rispondono a un gradiente di energia elettrica carica rilasciata dalla cellula eccitata e aiuta a reindirizzare le connessioni.

Dopo ripetuta eccitazione di blocchi di neuroni retinali artificiali adiacenti (triangoli evidenziati, in alto a sinistra), i punti finali assonali delle cellule del tetto, che inizialmente erano sparse (triangoli evidenziati, in basso a sinistra), si avvicinano e formano strisce più uniformi (in basso a destra).

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Le retine artificiali Argus sono state impiantate con successo in sei pazienti ciechi, consentendo loro di vedere nuovamente la luce e rilevare il movimento di oggetti grandi e luminosi.

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Questo sistema combina un minuscolo impianto oculare elettronico con una videocamera montata su occhiali scuri. Una serie di 16 elettrodi nell'impianto si collega alla retina, influenzando i fotorecettori. Il segnale inviato loro viaggia molto lontano dalla telecamera: attraverso il processore di elaborazione, quindi tramite un canale radio fino a un ricevitore situato dietro l'orecchio, e poi lungo fili tesi sotto la pelle fino all'impianto oculare. Il sistema può funzionare solo con pazienti i cui fotorecettori retinici sono indeboliti e danneggiati, ma il nervo ottico è sano.

Si stanno facendo tentativi per riprodurre le strutture neurali e le loro funzioni. Questo si chiama morphing (mappatura) delle connessioni neurali su circuiti elettronici in silicio. In questo modo, vengono creati microchip neuromorfici trasformando la retina, il tessuto nervoso spesso 0,5 mm che copre la parete posteriore dell'occhio. La retina è composta da cinque strati specializzati di cellule nervose ed esegue l'elaborazione preliminare delle immagini visive (immagini), estraendo informazioni utili senza accedere al cervello o esaurirne le risorse.

La retina di silicio percepisce i movimenti della testa umana. I quattro tipi di cellule gangliari di silicio presenti sul chip Visio1 imitano le cellule retiniche reali ed eseguono la pre-elaborazione visiva. Alcune cellule rispondono alle aree scure (rosse), altre alle aree chiare (verde). Il terzo e il quarto gruppo di cellule monitorano i confini anteriore (giallo) e posteriore (blu) degli oggetti. Le immagini in bianco e nero prodotte dalla decodifica mostrano ciò che un cieco potrebbe vedere con un impianto retinico neuromorfico.

La retina è la parte più importante dell'occhio. È costituito da milioni di fotorecettori sensibili alla luce che sono responsabili sia della visione dei colori che di quella crepuscolare. Il danno ai fotorecettori - bastoncelli e coni - a seguito di varie malattie porta ad un graduale deterioramento della vista e alla sua completa perdita.

Molto spesso le malattie (inclusa la distrofia pigmentaria retinica) portano alla distruzione solo dei fotorecettori stessi, senza intaccare i neuroni della retina. I ricercatori hanno già tentato di far fronte a tale cecità, utilizzando, ad esempio, un occhio bionico. Uno speciale microchip dotato di elettrodi è stato incorporato nella retina dei pazienti. Ai pazienti è stato chiesto di indossare occhiali con una videocamera, il cui segnale veniva trasmesso prima al chip e poi al cervello.

Gli scienziati dell'Istituto Italiano di Tecnologia hanno proposto un approccio fondamentalmente diverso, creando una retina artificiale che può essere impiantata nell'occhio di un paziente. La “protesi retinica” è costituita da diversi strati: un materiale polimerico conduttivo, un substrato a base di seta e uno strato semiconduttore. È lui che cattura i fotoni che entrano attraverso la pupilla: questo porta alla stimolazione elettrica dei neuroni della retina e all'ulteriore trasmissione del segnale al cervello.

I ricercatori hanno già testato la loro invenzione su ratti affetti da degenerazione retinica. Un mese dopo l'intervento chirurgico di impianto, gli scienziati hanno valutato il riflesso pupillare negli animali con retina artificiale, negli animali senza trattamento e nei ratti sani.

La risposta alla scarsa illuminazione (1 lux), paragonabile all'illuminazione durante la luna piena, è stata praticamente la stessa nei ratti con degenerazione retinica e in quelli che hanno ricevuto un impianto. Tuttavia, gli animali operati hanno reagito alla luce più intensa quasi allo stesso modo di quelli sani.

Il test è stato ripetuto 6 e 10 mesi dopo l'operazione: la vista di tutti gli animali è peggiorata con l'invecchiamento dei ratti, ma l'effetto dell'installazione di una retina artificiale persisteva ancora. Gli autori hanno anche dimostrato che la corteccia visiva primaria, la regione del cervello responsabile dell’elaborazione delle informazioni visive, si attiva sotto l’influenza della luce.

I ricercatori ammettono di non aver ancora compreso appieno come funziona la retina artificiale: questo resta da vedere. Non è inoltre chiaro se la nuova protesi aiuterà le persone; i risultati ottenuti sugli animali non possono sempre essere ripetuti sui pazienti. Grazia Pertile, uno dei membri del gruppo di ricerca, spiega però che i test sulla retina sull'uomo potrebbero cominciare nella seconda metà di quest'anno, 2017, e i primi risultati di questi test si otterranno entro l'inizio del 2018 .

La visione artificiale sta diventando sempre più una realtà sia nella scienza che nella medicina: gli scrittori di romanzi di fantascienza non se lo sarebbero mai sognato. L'estate scorsa, le prime retine artificiali in silicio sono state impiantate in tre pazienti ciechi. Tutti e tre hanno subito una perdita quasi totale della vista causata dalla retinite pigmentosa (RP), una malattia degli occhi che danneggia la visione notturna e periferica. Hanno lasciato l'ospedale il giorno dopo l'operazione.

La retina di silicio artificiale (ASR, da artificial silicon retina) è stata inventata dai fondatori di Optobionics, i fratelli Vincent e Alan Chow. L'ASR è un chip con un diametro di 2 mm e uno spessore inferiore a un capello umano. Su un wafer di silicio sono posizionate circa 3.500 microscopiche celle solari che convertono la luce in impulsi elettrici.

Il microcircuito, creato per sostituire i fotorecettori danneggiati – gli elementi sensibili alla luce dell'occhio che convertono la luce in segnali elettrici in un occhio sano – è alimentato dalla luce esterna e non ha batterie o fili. Una retina artificiale in silicio viene impiantata chirurgicamente sotto la retina del paziente, in quello che viene chiamato spazio sottoretinico, e genera segnali visivi simili a quelli prodotti dallo strato biologico dei fotorecettori.

In realtà, l'ASR funziona con fotorecettori che non hanno ancora perso la capacità di funzionare. "Se il chip può interagire con loro per un lungo periodo, allora ci stiamo muovendo verso l'obiettivo sulla strada giusta", è sicuro Alan Chow.

Le persone che soffrono di retinite pigmentosa perdono gradualmente i fotorecettori. In generale, questo è il nome collettivo di molte malattie degli occhi, a seguito della quale lo strato dei fotorecettori viene distrutto.

La degenerazione maculare legata all'età (AMD, da degenerazione maculare legata all'età), secondo i fratelli Chow, può essere corretta anche utilizzando una retina artificiale in silicio. Le macchie sulla cornea sono una conseguenza dell'invecchiamento, ma la causa esatta non è ancora nota. Più di 30 milioni di persone nel mondo soffrono di tali malattie, che spesso portano alla cecità incurabile.

Ad oggi, l’ASR non è stata in grado di trattare il glaucoma associato a danni ai nervi e non aiuta il diabete, che causa cicatrici retiniche. La retina artificiale è impotente in caso di traumi cerebrali e altre lesioni cerebrali.

"Ora stiamo cercando di capire dove trasferirci dopo", dicono i fratelli Chow riguardo ai loro piani. "Una volta che puoi decidere, puoi sperimentare la modifica dei parametri."

Visione naturale e artificiale

Il processo del “vedere” può essere paragonato al funzionamento di una macchina fotografica. In una macchina fotografica, i raggi luminosi passano attraverso una serie di lenti che focalizzano l'immagine sulla pellicola. In un occhio sano, i raggi luminosi passano attraverso la cornea e il cristallino, che focalizzano l'immagine sulla retina, che è lo strato di elementi sensibili alla luce che rivestono la superficie posteriore dell'occhio.

La macula è l'area della retina che riceve ed elabora immagini dettagliate e le invia al cervello lungo il nervo ottico. Lo spot multistrato conferisce alle immagini che vediamo il massimo grado di risoluzione. Se il punto è danneggiato, la vista si deteriora. Cosa fare in questo caso? Entra nell'ASR.

Migliaia di microscopici elementi ASR sono collegati a un elettrodo che converte le immagini luminose in arrivo in impulsi. Questi elementi stimolano i restanti elementi funzionali della retina e producono segnali visivi simili a quelli generati da un occhio sano. I segnali "artificiali" possono quindi essere elaborati e inviati al cervello lungo il nervo ottico.

Negli esperimenti sugli animali condotti negli anni '80, i fratelli Chow stimolarono l'ASR con luce infrarossa e registrarono la risposta retinica. Ma gli animali, purtroppo, non possono parlare, quindi non si sa cosa sia realmente accaduto.

Risultati più significativi

Circa tre anni fa, i fratelli raccolsero dati sufficienti per richiedere alla Food and Drug Administration il permesso di condurre esperimenti clinici sugli esseri umani. Sono stati selezionati come candidati tre pazienti di età compresa tra 45 e 75 anni che soffrivano da tempo di cecità retinica.

"Abbiamo selezionato le persone con le disabilità più gravi, in modo che se riescono a vedere almeno qualcosa, i risultati saranno i più incoraggianti", ha detto Alan Chow riguardo all'esperimento. "Volevamo iniziare il prima possibile, eravamo solo preoccupati delle conclusioni troppo affrettate che si potevano trarre a seguito degli esperimenti."

I creatori della retina artificiale sottolineano che al momento il loro dispositivo non è in grado di aiutare i pazienti a vedere come vedono le persone sane.

“Possiamo parlare di un risultato brillante se la densità degli elementi è sufficiente affinché i pazienti possano vedere gli oggetti in movimento. Idealmente, devono essere in grado di riconoscere le forme e i contorni degli oggetti”, afferma Larry Blankenship, amministratore delegato di Optobionics.

Gli inventori non hanno paura del rigetto dell'impianto. "Una volta impiantata la retina artificiale, si crea un vuoto attorno ad essa, il che è abbastanza prevedibile", ha detto Chow. Si può già sostenere che la retina artificiale in silicio è un risultato scientifico monumentale che aiuterà a eliminare per sempre la minaccia di alcune forme di cecità.

Lo sviluppatore della retina di silicio artificiale (ASR - Artificial Silicon Retina) è Optobionics. La retina artificiale di silicio è un microcircuito del diametro di 2 mm e dello spessore di 0,025 mm, contenente circa tremila e mezzo fotodiodi microscopici, ciascuno dei quali è dotato di un proprio elettrodo di stimolazione. I fotodiodi convertono la luce in impulsi elettrici che vengono inviati agli elettrodi stimolanti e alla stimolazione delle terminazioni del nervo ottico. La retina artificiale imita il lavoro dell'occhio a livello dello strato dei fotorecettori. Parallelamente all'impianto della retina artificiale, al paziente viene applicata una lente a contatto, che garantisce che la luce venga focalizzata in modo mirato su di esso.

Proposta da ricercatori americani nel 2006 e giapponesi nel 2007, la retina artificiale è una sottile matrice di alluminio con elementi semiconduttori in silicio. Il chip misura 3,5 x 3,3 millimetri e contiene 5.760 fototransistor al silicio, che svolgono il ruolo di neuroni sensibili alla luce nella retina vivente. Questi transistor sono collegati ad altri 3.600 transistor che imitano le cellule nervose della retina che preelaborano le informazioni visive prima di inviarle al cervello.

Il nuovo chip si adatta bene ai cambiamenti di luminosità e contrasto della scena osservata e percepisce perfettamente anche gli oggetti in movimento, evidenziandoli su uno sfondo fermo. Tuttavia, prima dell'inizio degli studi clinici, gli innovatori americani intendono finalizzare il loro progetto: ridurre le dimensioni del chip e ridurne il consumo energetico.

Secondo il principio di funzionamento, la retina artificiale somiglia a quella reale: quando i raggi luminosi colpiscono i semiconduttori, viene generata una tensione elettrica che, come segnale visivo, deve essere trasmessa al cervello e percepita sotto forma di immagine.

Nel 2009, i ricercatori americani sono riusciti a collegare le cellule nervose a una pellicola biocompatibile che produce una debole corrente elettrica quando esposta alla luce. La base della retina artificiale è un film sottile, che è un "sandwich" di due strati: uno strato di nanoparticelle di tellururo di mercurio e uno strato caricato positivamente di polimero PDDA. Gli scienziati hanno collegato entrambi gli strati utilizzando una colla speciale e hanno applicato un rivestimento di amminoacidi biocompatibile sulla superficie del “sandwich” in modo che le cellule nervose potessero interagire facilmente con la pellicola. Gli scienziati hanno posizionato una coltura di neuroni sulla pellicola. Una volta che i fotoni hanno iniziato a colpire la sua superficie, le nanoparticelle nella pellicola hanno assorbito i fotoni, producendo elettroni che sono passati attraverso uno strato di polimero PDDA che ha generato una debole corrente elettrica. Non appena la corrente raggiungeva la membrana cellulare dei neuroni, si verificava il processo di depolarizzazione e iniziava la propagazione del segnale nervoso, indicando la presenza di una pellicola di luce in quest'area.

In precedenza, gli scienziati hanno già ottenuto alcuni successi nel campo della stimolazione dei neuroni attraverso le interfacce di silicio. Tuttavia, la precisione nel rilevamento della luce e della sua intensità fornita da una pellicola con nanoparticelle non è stata ancora raggiunta. Una retina artificiale, creata sulla base della scoperta degli scienziati, sarà persino in grado di riprodurre la saturazione del colore degli oggetti, per non parlare dell’alta risoluzione. La retina è anche biologicamente compatibile con i tessuti umani grazie all'utilizzo di polimeri. Gli analoghi del silicio, al contrario, sono più difficili da adattare per il lavoro a tutti gli effetti nel corpo umano. Un'altra caratteristica rivoluzionaria della retina artificiale è che non dipende da fonti di energia esterne e si “accende” immediatamente dopo che la luce la colpisce